응축기 펌프는 어떻게 작동합니까?
대형 산업 공장에서 수증기를 펌핑할 때는 항상 특정 양의 공기가 개입되고, 이 공기는 증기에 포함되거나 공장의 누출에서 발생합니다(공기 및 수증기에 대한 다음 고려 사항은 일반적으로 수증기가 아닌 증기에 적용됨). 따라서 응축기는 기체 밸러스트 펌프를 통해 구동되어야 하고(그림 2.41), 그에 따라 항상 루츠 펌프처럼 하나의 조합으로 작동합니다. 기체 밸러스트 펌프는 소량의 공기를 펌핑하는 기능이 있는데, 이 소량의 공기는 관련 수증기 혼합물의 작은 부분에 불과하며, 동시에 다량의 수증기를 펌핑하지 않습니다. 따라서 정지 상태에서 응축기와 기체 밸러스트 펌프의 조합 내에서 저진공 영역에서 발생하는 유동 비율은 추가적인 고려 없이 쉽게 평가될 수 없습니다. 연속성 등식의 단순한 적용으로는 충분하지 않은데, 그 이유는 원천이나 싱크가 없는 유동장이 더 이상 문제가 되지 않기 때문입니다(응축기는 응축 공정인 싱크를 기반으로 함). 특히 이 시점에서 이 점이 강조됩니다. 응축기-기체 밸러스트 펌프 조합이 "기능하지 않는" 경우 그 원인을 응축기로 볼 수는 없을 것입니다.
그림 2.41 저진공 범위(III)에서 대량의 수증기를 펌핑하기 위해 다운스트림 기체 밸러스트 펌프(II)가 포함된 응축기(I) - 조절 가능 스로틀.
- 응축기의 주입구
- 응축기의 배출
- 텍스트 참조
응축기 펌프의 적용
다량의 수증기를 펌핑하는 경우 응축기가 가장 경제적인 펌프입니다. 일반적으로 응축기는 응축기 온도가 수증기의 이슬점 아래로 내려가는 온도에서 냉각되고 경제적인 응축 또는 펌핑 동작이 보장됩니다. 하지만 냉각을 위해 소금물 및 냉매(NH3, Freon)와 같은 매체도 사용할 수 있습니다.
기체 밸러스트와의 조합
응축기와 기체 밸러스트 펌프의 조합 크기를 결정하는 데 있어 다음 사항을 고려해야 합니다.
a) 수증기와 동시에 펌핑되는 영구 기체(공기)의 분율은 너무 크면 안 됩니다. 응축기 출구 쪽의 총 압력의 약 5%보다 높은 일부 공기의 부분 압력에서는 응축기 표면 앞에서 뚜렷한 공기 축적이 발생합니다. 그러면 응축기가 최대 용량에 도달할 수 없습니다(기체 및 증기의 동시 펌핑에 관해서는 기체 펌핑(습식 공정) 페이지의 설명 참조).
b) 응축기 출구(즉, 기체 밸러스트 펌프의 입구 측)의 수증기 압력은(기체 펌핑(습식 공정) 페이지에서 자세히 설명하는 영구 기체의 양이 동시에 펌핑되지 않을 때) 관련된 기체 밸러스트 펌프의 수증기 허용 오차보다 커서는 안 됩니다. 실제로 항상 피할 수 없는 것처럼 응축기 출구에서 더 높은 수증기 부분 압력이 예상되는 경우, 응축기 출구와 기체 밸러스트 펌프의 입구 포트 사이에 스로틀을 삽입하는 것이 편리합니다. 이 스로틀의 전도도는 가변적이고 조절되어야 합니다(전도도 계산 페이지 참조). 따라서 최대 스로틀에서 기체 밸러스트 펌프 입구 포트의 압력이 수증기 허용 오차보다 높아질 수 없습니다. 또한 다른 냉매를 사용하거나 냉각수 온도를 낮추면 수증기 압력이 필요한 값 아래로 떨어질 수 있습니다.
응축기 및 기체 밸러스트 펌프의 조합을 수학적으로 평가하기 위해 응축기에서 압력 손실이 발생하지 않는 것으로 가정하고, 응축기 입구의 총 압력 ptot 1이 응축기 출구의 총 압력 ptot 2와 같다고 가정할 수 있습니다(2.23).
(2.23)
Ptot1 = ptot2
총 압력은 공기의 부분 압력의 합 pp와 수증기의 부분 압력의 합 pv로 구성됩니다. (2.23a)
(2.23a)
pp1 + pv1 = pp2 + pv2
응축기의 작동으로 인해 응축기 출구의 수증기 압력 pD2는 항상 입구의 수증기 압력보다 낮습니다. (2.23)이 충족되려면 스로틀이 없는 경우에도 출구의 공기 부분 압력 pP2가 입구의 공기 부분 압력 pP1보다 높아야 합니다(그림 2.43 참조).
그림 2.43 응축기 압력 분포의 개략도. 실선은 약간의 압력 강하가 이루어지는 응축기 조건에 해당합니다(ptot 2 < ptot 1).
점선은 이상적인 응축기에 해당합니다(ptot 2 ≈ ptot 1). pD: 수증기의 부분 압력, pL: 공기의 부분 압력.
- 응축기 입구
- 응축기 출구
응축기 출구에서 더 높은 공기 부분 압력 pP2는 출구에 존재하는 한 정적 흐름이 평형을 이루도록 하는 공기 축적에 따라 생성됩니다. 이러한 공기 축적에서 평형 상태의 (스로틀링된) 기체 밸러스트 펌프는 응축기를 통해 입구(1)에서 나오는 스트림만큼 제거됩니다.
응축기 및 기체 밸러스트 크기 계산
모든 계산은 (2.23a)를 기반으로 하지만 펌프 증기 및 영구 rlcp의 양, 구성 및 압력에 대한 정보가 제공되어야 합니다. 응축기 및 기체 밸러스트 펌프의 크기는 계산할 수 있고, 이 두 수량은 실제로 상호 무관하지 않습니다. 그림 2.42는 응축면이 1m2이고, 입구 압력이 pv1이 40mbar이며, 영구 기체의 분율이 매우 작은 경우 33lbs(15kg)/h의 순수한 수증기에 이르는 응축 용량을 갖는 응축기의 예로서 이러한 계산의 결과를 보여줍니다. 3bar의 라인 과압과 12°C(53.6°F)의 온도에서 시간당 1 m3의 냉각수가 사용됩니다. 기체 밸러스트 펌프에 필요한 펌핑 속도는 기존 작동 상태, 특히 응축기 크기에 따라 달라집니다. 응축기의 효율성에 따라 수증기 부분 압력 pv2는 냉매 온도에 해당하는 포화 압력 pS보다 높거나 낮습니다. (12°C(53.6°F)에서 물로 냉각하면 pS는 15mbar가 됩니다(섹션 9의 표 XIII 참조).) 이에 따라 응축기 출구에서 주를 이루는 부분 공기 압력 pp2도 달라집니다. 대형 응축기를 사용하면 pv2 ≈ pS이고, 공기 부분 압력 pp,2는 그에 따라 크며, pp · V = const로 인해 관련 공기 부피는 작습니다. 따라서 상대적으로 작은 기체 밸러스트 펌프만 필요합니다. 하지만 응축기가 작으면 반대의 상황이 발생합니다. pv2 > pS · pp2이고, 작습니다. 여기에는 비교적 큰 기체 밸러스트 펌프가 필요합니다. 응축기를 사용하는 펌핑 공정 중에 발생하는 공기의 양이 반드시 일정하지는 않지만 다소 넓거나 좁은 한도 내에서 변화가 있으므로 고려 사항이 더욱 까다롭습니다. 따라서 응축기에서 유효한 기체 밸러스트 펌프의 펌핑 속도를 특정 한도 내에서 조절할 수 있어야 합니다.
그림 2.42 수증기의 흡기 압력 pD1의 함수로서 응축기의 응축 용량(응축이 가능한 표면적 1m2). 곡선 a: 냉각수 온도 12°C(53.6°F), 곡선 b: 온도 25°C(77°F). 3bar 과압에서 두 경우 모두 1m3/h 소모.
표 XIII -100°C(-148°F)~+140°C1(+284°F) 온도 범위에서 물의 포화 압력 ps 및 수증기 밀도 eD
응축기 사용에 관한 실질적 고려 사항
실제로 다음과 같은 조치가 일반적으로 사용됩니다.
a) 스로틀 섹션은 기체 밸러스트 펌프와 응축기 사이에 배치되고, 이는 초기 펌핑 중에 단락될 수 있습니다. 스로틀 섹션의 유동 저항을 조절하여 펌프의 유효 속도를 필요한 값으로 줄여야 합니다. 이 값은 기체 펌핑(습식 공정) 페이지에 제공된 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
b) 초기 펌핑을 위한 대형 펌프 옆에 저속의 저장 펌프가 설치되며, 그 크기는 최소 형성 기체량에 따릅니다. 이 저장 펌프의 목적은 공정 도중 최적의 작동 압력을 유지하는 것입니다.
c) 필요한 양의 공기가 가변 누출 밸브를 통해 펌프의 입구 라인에 주입됩니다. 이 추가 공기는 더 커진 기체 밸러스트 역할을 하여 펌프의 수증기 허용 오차를 증가시킵니다. 하지만 이 방법은 대체로 응축기 용량을 줄입니다. 또한 추가로 주입된 공기량은 추가 전력 소비와 오일 소모량 증가를 의미합니다. 응축기의 효율은 응축기에서 너무 큰 공기압으로 인해 악화되기 때문에 공기 주입이 전방에 이루어져서는 안 되고, 대체로 응축기 뒤에서만 이루어져야 합니다.
공정의 시작 시간이 총 작동 시간보다 짧은 경우 기술적으로 가장 간단한 방법(저진공 펌프 및 저장 펌프)이 사용됩니다. 매우 다양한 조건의 공정에는 조절식 스로틀 섹션이 필요하고, 필요한 경우에는 공기 주입을 조절할 수 있어야 합니다.
기체 밸러스트 펌프의 입구 측에는 수증기 부분 압력 pv2가 항상 존재하고, 이 압력은 냉각수 온도에서의 물의 포화 증기 압력보다 큽니다. 이 이상적인 경우는 매우 큰 응축기에서만 실제로 실현 가능합니다(위 참조).
작동 원리
실용적인 관점과 제시된 기본 규칙으로부터 다음 두 가지 사례를 고려하십시오.
- 소량의 수증기로 영구 기체 펌핑. 여기에서 응축기-기체 밸러스트 펌프 조합의 크기는 펌핑된 영구 기체량을 기준으로 결정됩니다. 응축기 기능은 기체 밸러스트 펌프의 입구 포트에서 수증기 압력을 수증기 허용 오차 미만으로 줄이는 것입니다.
- 소량의 영구 기체로 수증기 펌핑. 이 경우 응축기의 영구 기체의 부분 압력이 최대한 작기 때문에 응축기의 효율성을 높일 수 있습니다. 응축기 내 수증기 부분 압력이 기체 밸러스트 펌프의 수증기 허용 오차보다 커야 하는 경우에도 상대적으로 작은 기체 밸러스트 펌프는 주를 이루는 영구 기체를 배출하기 위해 필요한 스로틀링에 충분합니다.
중요 참고 사항: 공정 중에 응축기의 압력이 응축수의 포화 증기 압력 아래로 떨어지면(냉각수 온도에 따라 다름) 응축기를 차단하거나 수집된 응축수를 격리해야 합니다. 이렇게 하지 않으면 기체 밸러스트 펌프가 다시 응축기에서 이전에 응축된 증기를 펌핑합니다.
